基于CDIO模式的单片机课程教学方法探讨

摘 要：单片机是一门工程实践性非常强的课程，传统的课堂式教学效果存在许多不尽人意的地方。我们将CDIO的教学理念引入单片机课程的教学中，在课堂授课、实验教学、课外作业和课程考核等环节，以学生为主体、以教师为主导、以实践为主线开展微型项目驱动教学，将课程知识点融入若干个微型项目中，指导学生循序渐进地完成项目。实践证明，基于CDIO模式的微型项目驱动教学法能够有效调动学生的学习积极性，利于学生理解和掌握课程内容，学生的独立创新能力和团队合作能力得到提高。

关键词：CDIO教学模式；创新能力；教学改革；单片机

中图分类号：TP368.1-4

《单片机原理及应用》是电子信息类专业非常重要的专业基础课，也是一门技术性和实践性很强的学科。掌握好单片机技术，对培养学生的工程素质，提高其职业技能，具有非常重要的作用。然而，由于该课程名词概念较多、逻辑连贯性较强、内容较抽象，学习该课程既要掌握单片机的内部资源及接口等硬件知识，又要掌握软件编程知识，还要结合电子技术、传感器技术和计算机技术等相关的专业知识，教与学的难度都非常大，导致该课程教学效果一直不太理想。本文从当前高校单片机教学存在的问题入手，结合多年的教学实践，提出基于CDIO教学理念的单片机教学改革的方案和措施。

1 单片机课程教学现状分析

单片机作为一门多理论、重实践的课程，传统的先基础后应用、重理论轻实践的教学模式无法有效解决理论知识的学习与实践能力的培养间的矛盾，严重影响了课程教学效果。目前，国内高校单片机课程教学中主要存在以下几方面的问题。

1.1 理论教学内容与教学手段有待改进

单片机的理论教学大多以传统结构为主线，采用“单片机内部结构工作原理指令系统程序设计接口技术系统设计”的顺序讲解。由于各知识点的学习相对独立，课程结束后，学生无法了解单片机开发的完整过程。同时，随着VLSI技术的发展，相关器件和接口技术发生了巨大变化，数字系统的设计方法也发生了根本性变化，但是MCS-51单片机作为教学的主流机型，其体系结构并没有发生革命性的变化，导致课程的理论教学落后于实践应用的矛盾日渐加深。其次，随着单片机技术的飞速发展，集成芯片不断更新，仿真软件大量涌现，单纯的PPT幻灯片演示不能满足教学的需要。

1.2 软硬件学习脱节，缺乏综合能力的训练

受客观条件限制，单片机的实验教学大多采用商品化的实验箱或开发板，围绕有限的知识点进行验证性实验，缺乏综合项目的实训。普遍做法是，学生按实验指导书“照方抓药”，进行简单连线并下载实验程序，用万用表、示波器等观察实验结果。由于大量的实验都是按照实验指导书完成，学生缺少独立思考、独立动手的机会，导致大部分学生不会自行编写程序，更不会扩展实验或设计新的实验内容；另一方面，由于学生不了解实验箱的电路结构，无法建立单片机软、硬件结合的系统设计理念，导致大部分学生系统开发经验严重缺失。

1.3 考核评价方式过于单一

目前，大部分高校单片机课程考核方式较单一，闭卷考试多，开卷考试少；笔试形式多，答辩形式少；理论考试多，实际操作技能的考试少；一考定成绩的终结性考试多，多考综合评价的形成性考试少。这种客观性较强、偶然性较大的考核方式，无法全面、客观地反映学生的真实水平。特别是对于单片机这种“硬件概念抽象难理解、软件应用多样难设计”的实践性较强的课程，时间一定与答案唯一的传统考试形式只能在一定程度上考查学生对某些知识点的记忆能力，无法灵活考查学生分析问题与解决问题的能力。

2 基于CDIO的课程教改探索

针对单片机教学中存在的主要问题，根据平时教学中的经验和体会，以提高学生解决实际问题的能力为目标，对《单片机原理与应用》课程教学采取了下列改革措施。

2.1 以项目为载体，优化整合教学内容

CDIO（Conceive Design Implement Operate）工程教育模式从以教师、教材和课堂为中心的“旧三中心论”过渡到以学生、学习和学习效果为中心的“新三中心论”，倡导“做中学”和基于项目的教学。基于CDIO的教学理念，我们精选最新出版的教材并对教材内容优化整合，将单片机的理论教学内容分为内部硬件资源、软件编程、外部硬件接口三大模块，并将有关知识点分解到各项目中。其中，内部硬件资源模块主要包括CPU、定时器、SCI串口、内部RAM等模块；软件编程模块在简介汇编语言的基础上，以C51编程为主；外部硬件接口包含外扩的存储器模块、IO扩展模块、外部总线（I2C总线、SPI总线、USB总线、CAN总线等）模块、LCD液晶显示、传感器等专用设备模块。为了降低学习难度，使课程更具有条理性和可实施性，我们将项目按功能划分成若干模块，根据模块功能的大小，又将模块划分成若干子任务贯穿于课堂授课。例如并行口的应用划分为发光二极管控制、数码管控制、按键扫描及液晶控制显示等子模块，每个子模块又设计为逐步提高的子任务。如针对数码管控制，设计为“静态显示单字符静态显示多字符动态显示单字符动态显示多字符”等不同层次的子任务，各个子任务的控制电路、程序间相互关联，学生在前一个子模块基础上，仅做少许改动，就可开发出另一个子模块。这种基于项目的化整为零的课堂授课方式，能够充分激发学生的学习积极性，有效调动教学双方的课堂互动，提高课堂教学效率。

2.2 通过多维立体式实践教学，体会“做中学”

根据单片机课程的知识点，我们按照基础项目、简单项目、综合项目三种不同层次精心设计实训项目，如图1所示。

图1 层次化的单片机实训项目

其中，基础项目完成对基础知识和技能的培训，如通过“单片机最小系统板的设计与制作”使学生了解并认知单片机的几大功能模块；简单项目完成对单片机基本模块的设计制作，如图2所示，通过层次化的模块设计，使学生掌握单片机的硬件资源及软件编程；综合项目由学生独立构思、设计、实施和运作，如通过“自动响铃系统”、“智能交通灯控制器”等应用系统的设计使学生熟知单片机应用系统的软硬件开发与调试过程。为帮助学生尽快地进入到项目设计中，在项目实施前通过实物展示将往届学生的设计成果带进课堂，使学生对单片机系统有感性认识，并引导学生进行讨论。在项目实施过程中，通过“Proteus+Keil+单片机开发板+课程设计+学科竞赛”的多维立体式实践教学，让学生在做中发现问题，经过讨论分析或教师指导后解决问题，在不断修正错误的过程中积累实战经验。

图2 简单项目模块

2.3 实行分组项目设计，推进团队协作学习

把CDIO思想引入单片机的课程教学，目的之一是培养学生的团队合作及项目研发能力，让学生在团队环境下获得较真实的软硬件开发经验，提高学生在项目规划、工作分配、成员交流等多方面的能力，培养学生积极向上的合作精神。在微型项目的设计及后续的课程设计中，我们采用学习小组的形式，一般3-4名学生一组，每组推选1名组长，在组长的带领下，各组成员相互合作、相互交流，在培养实践能力、掌握理论知识的同时，还注重职业素养的提高。

2.4 采取多元考核评价方式

以CDIO倡导的“过程评价”为基础，关注知识、技能的学习过程，关注实践环节及工程应用能力，关注学生、教师不同主题的评价。为保证客观、真实地反映学生的实际水平，《单片机原理及应用》的总评成绩由平时成绩、项目模块成绩、期末考试成绩三部分组成，并将课程的考核贯穿于课程教学的全过程。其中，平时成绩占10%，包括课堂表现、课后作业等；项目模块成绩占40%，每组完成4-5个项目，主要考核硬件组装、故障排除、软件调试、软硬件统调、系统性能检测及仪器使用等。项目考核采取多元化的评价方式，学生先演示自己的设计作品，教师、同学、小组成员等根据作品完整性、创新性和实用性分别打分，最后由教师根据多方评价综合量化得到每个人的成绩；期末考试占50%，包括笔考和综合性设计考试（各占25%）两部分。笔考闭卷与开卷相结合，闭卷考主要考查学生对基础知识、基本理论的掌握程度，总分30分，题型主要为填空题、选择题、判断题等客观题，考试答案唯一；开卷考主要考查学生对知识的应用能力，总分70分，题型主要为分析题和程序设计题，试题答案不唯一，旨在引导学生开阔思路，提高学生发现问题和解决问题的能力。综合性设计考试包括一个单片机实用系统的硬件设计、软件编写调试、系统统调、功能测试、课程设计报告，旨在全面考查学生对单片机应用所需基本知识和技能的掌握程度。

3 结束语

将CDIO理念运用于我院的《单片机原理及应用》课程教学改革，经过连续3个年级的教学实践，收到了较为理想的教学效果。学生的学习兴趣有所提高，实际动手能力有所增强，同学间的合作意识和交流沟通能力得到了培养，对后续课程的学习、毕业设计及就业有很大帮助，还需在今后的教学实践中不断探索与完善。

参考文献：

[1]王硕旺，洪成文.CDIO：美国麻省理工学院工程教育的经典模式---基于对CDIO课程大纲的解读[J].理工高教研究.2009（04）.

[2]王刚.CDIO工程教育模式的解读与思考[J].中国高教研究，2009.

[3]曾虹，戴国骏，刘鹏.高校单片机课程教改研究[J].计算机教育，2011.

作者简介：王艳玲（1965-），女，山东济南人，教授，获山东大学无线电物理硕士学位，研究方向：汇编语言、单片机原理等计算机硬件课程的教学及图像处理、信息隐藏等。

作者单位：山东财经大学 计算机科学与技术学院，济南 250014

基金项目：山东财经大学教研项目（项目编号：jy201251）。